一種采用RS485總線分布式布局的多點(diǎn)甲醛連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

余燕娟，高 翔

（1.漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程學(xué)院，福建漳州363000；2.廈門大學(xué)附屬第一醫(yī)院，福建廈門361000）

甲醛會(huì)對(duì)機(jī)體組織產(chǎn)生刺激、致敏、致突變的影響[1]，是公認(rèn)的致癌物質(zhì)之一，但甲醛也在化工、紡織、木材、防腐等工業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程中有著重要的作用. 為了保證此類工廠生產(chǎn)過(guò)程中員工的健康，針對(duì)甲醛的計(jì)量進(jìn)行連續(xù)性監(jiān)測(cè)以保證員工作業(yè)安全十分重要. 傳統(tǒng)的甲醛的檢測(cè)方法，如分光光度法、色譜法檢測(cè)周期長(zhǎng)、操作難、專業(yè)性強(qiáng)[2]，難以做到高效快捷、快速推廣，同時(shí)也很難連續(xù)檢測(cè). 目前多數(shù)用于甲醛快捷檢測(cè)方法存在一次只能監(jiān)測(cè)一點(diǎn)，且監(jiān)測(cè)多采用電化學(xué)傳感器，信號(hào)較弱易受干擾等的問(wèn)題[3]. 為了更好地適應(yīng)工廠的實(shí)際需求，分析發(fā)現(xiàn)甲醛監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要滿足如下條件：對(duì)甲醛實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)計(jì)量檢測(cè)；檢測(cè)快速，系統(tǒng)穩(wěn)定，且檢測(cè)可重復(fù)；甲醛超標(biāo)時(shí)可以進(jìn)行干預(yù)處理；可以對(duì)工廠中多個(gè)點(diǎn)進(jìn)行同時(shí)檢測(cè)；管理人員可以通過(guò)軟件對(duì)全部測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行管理. 對(duì)此，本文擬設(shè)計(jì)一種能實(shí)現(xiàn)這些功能的系統(tǒng)以完成對(duì)甲醛的監(jiān)測(cè).

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，為實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)甲醛的監(jiān)測(cè)，結(jié)合工廠甲醛檢測(cè)特點(diǎn)，系統(tǒng)采用了基于RS485 總線的分布式的控制結(jié)構(gòu)，拓展多路甲醛采集，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)甲醛采集板的與中心控制板的通信網(wǎng)絡(luò)，完成了多個(gè)數(shù)據(jù)采集板的級(jí)聯(lián)[4-5]. 由納米傳感器采集的甲醛數(shù)據(jù)經(jīng)RS485 總線發(fā)送中央控制板，并經(jīng)過(guò)ESP8266模塊以Wi-Fi 形式發(fā)送服務(wù)器PC. 終端PC 機(jī)接收中央控制器傳送的數(shù)據(jù)并進(jìn)行顯示、數(shù)據(jù)圖形化、報(bào)警等處理. 該甲醛檢測(cè)系統(tǒng)可對(duì)區(qū)域內(nèi)多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)甲醛氣體濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)和報(bào)警，并且給予通風(fēng)排氣的動(dòng)作，以便工廠人員及時(shí)了解和處理.

RS485 總線是工業(yè)級(jí)的總線標(biāo)準(zhǔn)，支持多點(diǎn)、遠(yuǎn)距離、高靈敏度數(shù)據(jù)通信，傳輸速率快[6-7]，可將多個(gè)點(diǎn)甲醛監(jiān)測(cè)集成，節(jié)省各個(gè)分點(diǎn)軟件和硬件資源的浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制. 系統(tǒng)由PC、無(wú)線通信模塊、中央控制板、數(shù)據(jù)采集板、傳感器等構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 中央控制板

系統(tǒng)的中央控制板主要以ARM 的STM32F103單片機(jī)為核心，STM32F103 是32 位高性能、低功耗單片機(jī)，具有72 MHz 的CPU，1MB 的Flash 主要完成與上下級(jí)之間數(shù)據(jù)、命令的接收和發(fā)送. 中央控制板與下一級(jí)通信接口為MAX485，二者使用Modbus協(xié)議進(jìn)行通信.與上一級(jí)的通信通過(guò)ESP8266模塊，ESP8266 模塊內(nèi)置TCP/IP 協(xié)議，支持串口通信，兼容3.3V 單片機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳送，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示.

2.2 數(shù)據(jù)采集板

數(shù)據(jù)采集器以ADuC834 單片機(jī)為核心協(xié)調(diào)控制各個(gè)電路運(yùn)行工作. 該系列單片機(jī)優(yōu)勢(shì)在于AD和DA，ADuC834 具 備16/24 位 高 速、高 精 度 的ADC，單通道12位軌到軌電壓輸出DAC.ADuC834完成對(duì)甲醛傳感器的信號(hào)獲取、報(bào)警輸出、甲醛信號(hào)傳遞、排氣系統(tǒng)控制等功能，并利用MAX485 完成RS485總線的電平轉(zhuǎn)換.數(shù)據(jù)采集板結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4.

ADuC834 的AD 電壓輸入范圍是±20 mV ～±2.56 V，傳感器輸出電壓(0.1 ～2.5) V，正好符合AD 輸入電壓范圍可以直接送入單片機(jī)內(nèi)部，模塊還設(shè)計(jì)了過(guò)壓保護(hù)電路，保護(hù)由于傳感器電壓波動(dòng)造成過(guò)壓輸入. 單片機(jī)內(nèi)部運(yùn)算甲醛值，如超標(biāo)則做出聲、光雙重報(bào)警，并通過(guò)DA 對(duì)排氣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)開(kāi)啟操作. 監(jiān)測(cè)的甲醛數(shù)據(jù)在ADuC834 進(jìn)行編碼轉(zhuǎn)換，將二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換成ASCII 碼，通過(guò)自定義Modbus通訊編碼由RS485總線發(fā)送出去[5].

圖2 中央控制板結(jié)構(gòu)方式圖

圖3 中央控制板硬件

圖4 數(shù)據(jù)采集板結(jié)構(gòu)框圖

2.3 甲醛傳感器

甲醛傳感器選擇是新型納米材料的甲醛傳感器NGTFS10a，是一種半導(dǎo)體甲醛氣體傳感器. 甲醛氣體可改變納米材料表面的電導(dǎo)率，其中其內(nèi)電阻的變化范圍為(10 ～250) kΩ. 該甲醛傳感器由恒流源供電，恒流源供電電路如圖5所示.

LM334 的恒流范圍為1 μA ～10 mA，計(jì)算公式如式（1），R12為13.4 kΩ，恒流源輸出為10 mA.

傳感器測(cè)量得到輸出電壓Vout變化為(0.1 ～2.5)V. 通過(guò)電壓與甲醛濃度關(guān)系函數(shù)y= 369ln(x+1.45)- 137，從而獲得甲醛濃度值，該傳感器對(duì)于甲醛有較高靈敏度和選擇性，可檢測(cè)的最小甲醛濃度為0.03 mg/m3，分辨率可達(dá)0.01 mg/m3.

圖5 恒流源電路

2.4 RS485總線設(shè)計(jì)

為了滿足系統(tǒng)多區(qū)域設(shè)計(jì)要求，采用RS485 總線擴(kuò)展多個(gè)數(shù)據(jù)采集板，實(shí)現(xiàn)多個(gè)采集器級(jí)聯(lián). 分布式檢測(cè)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，保證了多個(gè)甲醛點(diǎn)的同時(shí)檢測(cè)，簡(jiǎn)化甲醛監(jiān)測(cè)設(shè)備，降低成本[6]. 設(shè)計(jì)選取MAX485 作為電平從TTL 轉(zhuǎn)RS485 總線的橋接芯片. RS485 總線通道選取的是雙絞線保證可靠傳輸. 控制系統(tǒng)中有兩部分電路需要使用MAX485 實(shí)現(xiàn)TTL電平與RS485的轉(zhuǎn)換，ADuC834單片機(jī)串口轉(zhuǎn)RS485 總線接口，另一個(gè)是STM32 連接總線轉(zhuǎn)換，其MAX485芯片接線情況如圖6所示.

圖6 MAX485接口電路

這里采用并接式二線制總線接口，當(dāng)控制端口P2.2 或PA4_USART2_EN 為高電平時(shí)，通過(guò)TXD可發(fā)送數(shù)據(jù)，若為低電平，則RXD 接收數(shù)據(jù). 總線終端為了避免電平拉低連接10 kΩ 上拉電阻，為了避免線路浪涌干擾，在總線與地之間接入TVS 二極管，為了減少信號(hào)干擾，當(dāng)通信距離超過(guò)500 m 時(shí)，在電路終端添加120 Ω 電阻，以達(dá)到阻抗匹配[7]. 電路圖如圖7所示.

2.5 報(bào)警輸出

當(dāng)甲醛超標(biāo)時(shí)，為了對(duì)正在工作的員工起到警示作用，每個(gè)終端采集器都設(shè)計(jì)兩種報(bào)警，即聲音報(bào)警和燈光警示. 總控制室的上層軟件設(shè)置有軟件報(bào)警. 圖8 為聲音報(bào)警電路. 甲醛監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超過(guò)安全值，ADuC834 單片機(jī)P2.0 置為高電平，導(dǎo)通二極管D5，三極管導(dǎo)通蜂鳴器電路導(dǎo)通，發(fā)出報(bào)警聲，提示工人注意甲醛超標(biāo)情況.

圖7 總線終端電路

圖8 聲音報(bào)警電路

為了協(xié)助聲音報(bào)警，同時(shí)設(shè)計(jì)光報(bào)警，其電路結(jié)構(gòu)如圖9所示.

圖9 光報(bào)警電路

光報(bào)警由單片機(jī)P2_1 端口控制，為了更好地提示，光源選擇了直徑為1 cm 的高亮二極管，因此利用Q3構(gòu)成了應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路. 單片機(jī)P2_1 控制燈光開(kāi)啟與熄滅，以達(dá)到光報(bào)警.

2.6 無(wú)線通信模塊ESP8266

中央控制板與上層PC 選擇Wi-Fi 通信方式完成信號(hào)傳輸，完成信號(hào)Wi-Fi 轉(zhuǎn)換的電路模塊為ATK-ESP8266 模塊，該模塊具備有三種工作方式：COM-AP/COM-STA/COM-SP+STA[7]，即 可 從Wi-Fi 接收數(shù)據(jù)從串口輸出，還可串口接收數(shù)據(jù)以Wi-Fi 形式輸出，或者是兩者兼顧. 本文選擇COM-STA 模式，模塊作為無(wú)線Wi-Fi STA 用于將串口數(shù)據(jù)發(fā)送到連接設(shè)備. 用戶可以根據(jù)SOCKET AT 指令集對(duì)模塊的工作方式進(jìn)行設(shè)置. ATKESP8266 模塊串口端波特率固定為115 200，允許5個(gè)用戶訪問(wèn)[8-9]. 中央控制板接收采集板的數(shù)據(jù)利用SOCKET AT 指令，通過(guò)串口將數(shù)據(jù)傳送至ESP8266模塊，ESP8266 模塊內(nèi)置TCP/IP 協(xié)議，與遠(yuǎn)端PC 建立握手通信，完成遠(yuǎn)程通信. 用戶Wi-Fi 通信模塊與STM32 單片機(jī)的接口連接方式如圖10 所示.STM32 的 發(fā) 送 端PA9_USART1_TX 接Wi-Fi 模 塊串口接收端，接收端PA10_USART1_RX 接Wi-Fi模塊數(shù)據(jù)發(fā)送端. 為了避免電流逆涌，還在Wi-Fi模塊的RX及TX端口沿?cái)?shù)據(jù)流方向串聯(lián)二極管.

圖10 STM32與ESP8266模塊接線方式

2.7 排氣控制

排氣控制是為了改善甲醛計(jì)量超出安全值而設(shè)置的干預(yù)方式，當(dāng)甲醛值超標(biāo)時(shí)開(kāi)啟排氣. 單片機(jī)ADuC834 的管腳P2_6 連接繼電器，在與排氣風(fēng)扇的驅(qū)動(dòng)電路連接，當(dāng)P2_6 置為高電平時(shí)候，繼電器閉合，排氣風(fēng)扇開(kāi)啟.

3 程序設(shè)計(jì)

3.1 硬件程序及客戶端軟件設(shè)計(jì)

考慮程序的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)效率、可拓展性、維護(hù)便捷性，單片機(jī)程序采用的是模塊化的設(shè)計(jì)方法. 數(shù)據(jù)采集板根據(jù)功能區(qū)別分為排氣控制模塊、報(bào)警模塊、數(shù)據(jù)分析處理模塊、通信模塊及主程序. 設(shè)備通電后，硬件設(shè)備進(jìn)入主程序，程序流程圖如圖11 所示，完成ADuC834 單片機(jī)、LED 報(bào)警燈的初始化，傳感器進(jìn)入預(yù)熱處理，隨后進(jìn)入程序中斷等待狀態(tài)，當(dāng)有中斷響應(yīng)時(shí)候，進(jìn)入中斷程序，完成數(shù)據(jù)分析及處理. 數(shù)據(jù)處理模塊流程如圖12 所示，對(duì)獲取的傳感器值進(jìn)行AD 轉(zhuǎn)換，獲取甲醛數(shù)值，并與設(shè)定的甲醛安全計(jì)量值進(jìn)行對(duì)比，判斷甲醛檢測(cè)值是否超標(biāo)，如若超標(biāo)就進(jìn)入報(bào)警模塊和排氣控制模塊，并將測(cè)得甲醛信息通過(guò)串口總線發(fā)送出去. 如不超標(biāo)直接發(fā)送串口總線. 其中通信模塊中的數(shù)據(jù)根據(jù)自定義Modbus通信協(xié)議進(jìn)行編碼再發(fā)送.

圖11 主程序流程圖

圖12 數(shù)據(jù)處理模塊流程圖

遠(yuǎn)程PC 客戶端軟件基于VC++平臺(tái)開(kāi)發(fā)，采用了面向?qū)ο驝++的語(yǔ)言,利用MFC 框架設(shè)計(jì)模式，符合用戶熟悉窗口化界面的習(xí)慣，同時(shí)利用設(shè)計(jì)的多種圖形化類及PlotLab 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化，界面直觀明了，以使用戶快速獲取信息[10-11]. 運(yùn)用小型嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)SQLite[12]，免去用戶安裝數(shù)據(jù)庫(kù)麻煩，零配置與應(yīng)用程序有效結(jié)合，提高整個(gè)控制軟件的移植性、高效性、穩(wěn)定性. 系統(tǒng)經(jīng)附近家具廠進(jìn)行測(cè)試后，軟件監(jiān)測(cè)界面如圖13 所示，當(dāng)成品區(qū)的甲醛值超標(biāo)時(shí)，報(bào)警燈由綠色變成紅色，同時(shí)文字提示位置及報(bào)警時(shí)間，給予用戶明確的警示.

圖13 系統(tǒng)監(jiān)控客戶端軟件

3.2 通信協(xié)議設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中央控制器與采集器的通信使用了Modbus 通訊協(xié)議進(jìn)行可靠通信. Modbus 協(xié)議是用于總線型設(shè)備主-從設(shè)備之間通信[13].分布式多點(diǎn)甲醛進(jìn)行監(jiān)測(cè)以中央控制板STM32 為主設(shè)備，各點(diǎn)采集板為從設(shè)備. Modbus 通訊協(xié)議有兩種握手方式：一問(wèn)一答方式和廣播方式，此處設(shè)計(jì)選擇一問(wèn)一答方式，即每次通訊由主設(shè)備發(fā)起詢問(wèn)、從設(shè)備應(yīng)答的形式. Modbus 協(xié)議有兩種數(shù)據(jù)格式RTU 和ASCII碼，設(shè)計(jì)選擇更易人類讀取的ASCII碼.主設(shè)備數(shù)據(jù)幀格式如表1所示.

表1 主設(shè)備下發(fā)命令格式

命令以標(biāo)識(shí)符“：”(ASCII 碼為3AH)為起始，地址碼為數(shù)據(jù)從設(shè)備對(duì)應(yīng)的編碼，根據(jù)甲醛監(jiān)測(cè)點(diǎn)的多少對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集板從01H開(kāi)始編碼，依次遞增；功能碼是通知從設(shè)備完成的動(dòng)作對(duì)應(yīng)的編碼，如10H 為讀取甲醛數(shù)據(jù)命令；0DH,0AH 為結(jié)束標(biāo)識(shí)符，是這條命令的結(jié)尾，以避免問(wèn)答協(xié)議造成從設(shè)備監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)引起響應(yīng)總線沖突. 從設(shè)備ASCII 碼數(shù)據(jù)幀格式如表2所示.

數(shù)據(jù)幀以ASCII 模式通信，在消息中的每4 bit都作為一個(gè)ASCII 字符，甲醛監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)精確到小數(shù)點(diǎn)后兩位. 校驗(yàn)方式為兩個(gè)字節(jié)的CRC 校驗(yàn)，以保證數(shù)據(jù)正確性.

表2 從設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)格式

4 測(cè)試與應(yīng)用

選擇某家具廠作為系統(tǒng)的測(cè)試點(diǎn)，由于家具生產(chǎn)過(guò)程中需大量使用粘合劑、涂料等，這些材料均會(huì)釋放甲醛. 選取工廠中的多個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)工作特性將其分為材料區(qū)、切割區(qū)、組立區(qū)、包裝區(qū)、成品區(qū)五個(gè)區(qū)域，利用甲醛檢測(cè)儀對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的甲醛進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上傳控制室的控制軟件. 其中針對(duì)切割區(qū)用本系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量的同時(shí)，也利用國(guó)家甲醛檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)AHMT 比色法隔一個(gè)小時(shí)進(jìn)行甲醛采樣檢測(cè)，針對(duì)兩種測(cè)量方式進(jìn)行10 小時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)比，如表3 所示. 可見(jiàn)本系統(tǒng)甲醛濃度值檢測(cè)相對(duì)誤差小于3%，誤差主要可能是2 個(gè)原因：甲醛傳感器本身對(duì)于溫濕度的影響1% ～2%的漂移；納米傳感器不僅對(duì)甲醛氣體感應(yīng)，同時(shí)也對(duì)一氧化碳、氨氣、乙醇、苯、甲苯等氣體敏感.

表3 測(cè)量數(shù)據(jù)

5 總結(jié)

多點(diǎn)甲醛連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用了具有高精度AD的單片機(jī)ADuC834獲取甲醛值，具備報(bào)警和排氣控制等干預(yù)功能，利用RS485 總線形式集成多個(gè)數(shù)據(jù)采集板，中央控制板完成Wi-Fi 方式傳輸數(shù)據(jù)到服務(wù)器監(jiān)控軟件，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、智能化控制.選取了甲醛容易超標(biāo)的家具廠對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，檢測(cè)點(diǎn)分別設(shè)在家具生產(chǎn)的不同車間，經(jīng)測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，為工廠員工及系統(tǒng)軟件監(jiān)管人員都起到很好的提醒作用. 同時(shí)發(fā)現(xiàn)排風(fēng)系統(tǒng)可以有效改善甲醛的計(jì)量值，且溫濕度對(duì)于甲醛的釋放是有影響的. 該系統(tǒng)對(duì)于生產(chǎn)過(guò)程中易產(chǎn)生甲醛的工廠進(jìn)行實(shí)時(shí)多點(diǎn)甲醛監(jiān)測(cè)具有較好的實(shí)踐意義.